《Soil and Tillage Research》：Impacts of freeze-thaw cycles on soil aggregate stability and phosphorus occurrence under different land uses
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土壤团聚体对磷储存和释放的影响及其在冻融循环下的稳定性变化研究。摘要：分析不同土地利用类型下土壤团聚体中磷的分布特征及冻融循环的影响，发现冻融循环显著降低团聚体稳定性，导致总磷和有效磷流失，其中农田和森林地的磷损失风险较高，为区域磷流失管理提供理论依据。
程玉婷|郝书豪|张嘉欣|徐国策|张毅|任宗平|蒋文婷|刘茂林
中国陕西省西安市西安科技大学地质与环境学院，邮编710054
摘要
土壤团聚体作为磷储存和转化的重要场所，在土壤磷的释放和迁移过程中起着关键作用。了解冻融循环对土壤团聚体稳定性和磷分布的影响对于评估区域磷损失风险和指导土壤磷管理至关重要。本研究收集了三种不同土地利用类型的土壤团聚体，并分析了六个不同粒径范围内的磷分布情况。此外，还探讨了冻融循环对磷储存和磷管理的影响。结果表明，与林地和草地相比，农田中大团聚体（>5毫米）的比例较低。经过冻融循环后，林地中2-5毫米粒径范围内的干筛团聚体比例减少了11%，而农田中2-5毫米粒径范围内的水稳团聚体比例增加了87%，林地中水稳团聚体的稳定性D值降低了95%。在湿润条件下，农田中的总磷主要集中于大于5毫米的团聚体中，而有效磷主要存在于小于0.50毫米的团聚体中。在草地中，总磷主要存在于1-5毫米的团聚体中，而有效磷主要存在于2-5毫米的团聚体中。在林地中，总磷主要储存在0.5-2毫米的团聚体中，有效磷则集中在小于0.25毫米的团聚体中。经过冻融循环后，农田中的总磷减少了5%-63%，有效磷减少了55%-98%；林地中的总磷减少了4%-58%，有效磷减少了23%-75%；草地中的总磷减少了1%-70%，有效磷减少了54%-91%。所有粒径范围内的土壤磷库管理指数在农田中都有不同程度的下降，下降幅度为12%-41%。总体而言，冻融循环影响土壤团聚体的稳定性，并增加了磷损失的风险。本研究为评估和预防冻融期间土壤稳定性和磷损失提供了理论基础。
引言
土壤磷是植物和微生物的关键营养物质，也是水生系统富营养化的关键驱动因素。它在生态系统循环中起着不可或缺的作用（Zhang等人，2023年）。受地球化学过程和人类活动的影响，磷以多种形式存在于土壤中，主要分为有机磷和无机磷（Hu等人，2024年；Biassoni等人，2023年）。无机磷是植物的主要营养来源，而有机磷经过矿化作用转化为无机磷，从而可以被植物吸收（Schneider等人，2017年）。在某些条件下，磷可以在不同形式之间进行复杂的循环转化。土壤团聚体作为磷储存和转化的重要储存库，在调节土壤中的磷循环中起着关键作用（He等人，2023年；Wang等人，2023a）。在土壤团聚体的形成过程中，由于大团聚体的保护作用，磷通常不易被矿化。然而，当大团聚体分解成微团聚体时，它们更容易受到径流和风蚀的影响，增加了磷释放的风险（Hou等人，2021年；Li等人，2023年；Koza等人，2022年；Xu等人，2025年）。大部分释放的磷会被重新吸附到团聚体内部的裸露粘土表面。在侵蚀过程中，这些吸附的磷会随沉积物进入附近的水体，导致富营养化（Cheng等人，2018年；Ross等人，2022年）。因此，土壤团聚体在保持磷方面起着关键作用，其分布直接影响磷的释放和迁移过程。这些动态显著制约了区域水生生态系统和农业经济发展。
冻融循环是影响土壤团聚体结构和磷形态的关键因素（Miranda-vélez等人，2023年）。反复的冻融作用会导致土壤结构的机械破坏和土壤物理化学性质的改变（Wang等人，2017年）。这些过程加速了土壤磷的释放，并促进了土壤无机磷向可溶性有机磷的转化（Zhang等人，2023年）。因此，有效土壤磷损失的风险增加，对作物栽培和生产产生不利影响。冻融循环改变了磷的生物地球化学循环，进而影响生态系统的生产力。因此，研究冻融循环期间土壤团聚体中的磷形态对于了解土壤磷库的供应和储存至关重要（Zhou等人，2020年）。冻融循环是非生物因素，对土壤磷循环有显著影响，影响磷的转化和磷库的组成（Shi等人，2023年；Sun等人，2019年）。冻融效应通过改变土壤团聚体结构、水分和热量分布以及微生物酶活性，强烈影响土壤磷的循环转化和磷库的组成（Sun等人，2019年）。冻融期显著影响土壤有机磷的动态，因为大多数微生物和植物在此期间处于休眠或死亡状态，使它们的磷成为土壤有机磷的主要来源（Han等人，2019年）。交替的冻结和融化过程会破碎枯落物，裂解微生物，并破坏植物根细胞，将有机磷从这些生物体中释放到土壤中。此外，有机物分解产生的有机酸与不溶性磷酸盐中的金属离子反应，促进磷的释放（Sun等人，2019年）。腐殖质在铁和铝氧化物上形成保护层，减缓磷的吸附和解吸，从而增加土壤溶液中的有机磷含量，这是土壤中可溶性磷的主要组成部分。可溶性有机磷通过低温水解作用矿化为无机磷，可供植物和存活的微生物重新吸收。重新吸收的磷随后在生物体内重新转化为有机磷。冻融过程还会破坏粗大的土壤颗粒，使其变成更细的颗粒，这些细颗粒随后重新聚集，促进土壤磷的循环转化（Li等人，2022年）。这一过程在富含有机物或粘土的土壤中尤为明显。寒冷冬季地区的冻融循环对土壤磷循环有显著影响，需要特别关注（Yu等人，2011年；?zgül等人，2012年）。冻融侵蚀主要发生在表土层，但现有研究主要集中在冻融循环较长且永久冻土层较深的地区，如中国东北的黑土区、黄土高原和青藏高原（Sun等人，2022年；Zhai, Fang, 2023年；Liu等人，2024年；Zhang等人，2024年；Jiao等人，2023年）。关于冻融周期较短的浅层永久冻土区的研究仍然有限，阻碍了人们对冻融作用如何影响表层土壤团聚体结构和养分迁移（包括碳、氮和磷）的全面理解。
本研究选择了陕西省的岷家河流域，探讨不同土地利用类型下冻融作用对土壤团聚体稳定性和磷分布的影响。研究结果旨在加深对冻融环境中表层土壤重组机制和磷循环过程的理解，为管理和预测冻融期间的土壤磷损失提供科学依据。
样本采集
研究区域位于陕西省的岷家河流域（北纬33°44′–33°49′，东经109°40′–109°44′），面积为28.19平方公里，海拔范围从952.30米到1811米。该流域位于北亚热带和暖温带气候的过渡带，具有明显的湿润和干燥季节，最高记录温度为36.5℃，最低温度降至-14.8℃。平均无霜期为194天。
不同土地利用类型下的土壤团聚体分布特征
不同土地利用类型下的干筛团聚体分布见图2(A)。单因素方差分析显示，不同土地利用类型之间六个粒径范围内的干筛团聚体差异不显著（P > 0.05）。然而，在同一土地利用类型内，六个粒径范围内的差异显著（P < 0.01）。对于农田、林地和草地，土壤团聚体主要由2-5毫米粒径范围的颗粒组成，分别占32%、35%和33%
土地利用对土壤团聚体稳定性和磷分布的影响
土壤团聚体是土壤结构的基本组成部分，直接影响土壤肥力、水文功能和生态服务提供。土壤团聚体的稳定性是可持续农业管理和土壤侵蚀控制的关键物理指标（Afriyie等人，2021年）。土地利用显著影响土壤团聚体的分布和稳定性。在农田中，土壤团聚体主要由2-5毫米粒径范围的颗粒组成，这与...
结论
本研究表明，湿润环境和冻融循环对土壤团聚体的稳定性以及磷的分布和损失风险有显著影响。不同土地利用类型下与磷损失相关的关键粒径范围存在显著差异。在农田中，磷主要富集在大于5毫米的团聚体中，这些团聚体具有较高的磷释放潜力。因此，建议优化...
CRediT作者贡献声明
程玉婷：撰写——初稿，资金获取，数据管理，概念构思。郝书豪：正式分析，数据管理。张嘉欣：方法学，调查。徐国策：撰写——审稿与编辑。张毅：软件使用，调查。任宗平：监督。蒋文婷：可视化，项目管理。刘茂林：验证，方法学。
利益冲突声明
我们声明没有利益冲突。
致谢
本研究得到了青年教师科学研究创新能力支持项目（项目编号：SRICSPYF-BS2025125）、国家自然科学基金（项目编号：42377344）和陕西省教育厅科学研究计划（青年创新团队项目）（项目编号：24JP122）的支持。
